автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Разработка конструкции и методики расчета системы двухконтурного охлаждения электропроводящих тиглей вакуумных индукционных печей

на правах рукописи

КАБАЛИН ЕГОР ИВАНОВИЧ

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И МЕТОДИКИ РАСЧЕТА СИСТЕМЫ ДВУХКОНТУРНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ТИГЛЕЙ ВАКУУМНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧЕЙ

Специальность 05.09.10 - Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2014

2 4 АПР 2014

005547692

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» ФГБОУ ВПО «Национального исследовательского университета «Московский энергетический институт»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кувалдин Александр Борисович профессор кафедры АЭТУС ФГБОУ ВПО НИУ «МЭИ»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Алиферов Александр Иванович заведующий кафедрой АЭТУ ФГБОУ ВПО «НГТУ»

кандидат технических наук Нехамин Илья Сергеевич директор по развитию ООО «НПФ КОМТЕРМ»

Ведущая организация: ФГАОУ ВПО НИТУ «МИСиС», г. Москва

Защита диссертации состоится «23» мая 2014 г. в аудитории М-611 в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Национальном исследовательском университете «МЭИ» по адресу 111250, Москва, ул. Красноказарменная д. 14

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО НИУ «Московского энергетического института», и на сайте www.mpei.ru

Автореферат разослан «$..» 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

С.А. Цырук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Вакуумные индукционные печи с холодным тиглем (ИПХТ) применяются для выплавки тугоплавких металлов и сплавов повышенной чистоты и характеризуются мощностью до 2000 кВт, частотой тока 0,05 - 30,0 кГц и 0,5 — 10 МГц, емкостью до 350 кг (по стали).

Положительный эффект применения ИПХТ достигается благодаря отличительным особенностям этих установок, к которым относятся бесконтактная передача энергии электромагнитным полем, электромагнитное перемешивание металла, плавка в медном охлаждаемом тигле (исключение загрязнения расплава), отжатие металла от стенок холодного тигля, возможность проведения различных технологических процессов (кристаллизация, спекание, разлив расплава в форму или изложницу). Одним из ключевых элементов ИПХТ является холодный тигель (ХТ), благодаря которому достигается высокая степень чистоты расплава. ХТ представляет собой цилиндр (многогранник), составленный из металлических трубок различного профиля (круг, трапеция и т.д.).

Так как в ХТ выделяется энергия электромагнитного поля и плотность теплового потока от расплава металла (температура до 3000°С) в стенку холодного тигля достигает 400 Вт/см2, то необходимо его интенсивное охлаждение проточной водой. Такой вид охлаждения позволяет проводить процесс при высоких температурах в течение длительного времени, но он не исключает опасности прожига стенки ХТ и попадания охлаждающей воды на расплав, что может привести к возникновению аварийной ситуации. Для интенсивного охлаждения и обеспечения постоянной температуры ХТ требуется большое количество проточной воды, что предполагает наличие в системе дополнительного оборудования и коммуникаций (насосной станции и системы коллекторов), поддерживающих высокое давление воды. Предотвратить аварийную ситуацию возможно различными способами, одним из которых является изменение самой системы водоохлаждения.

В данной работе рассмотрена двухконтурная система охлаждения с применением принципа так называемой «тепловой трубы» (ТТ). Тепловые трубы уже нашли применение в космических технологиях (термостабилизация спутников и космических кораблей), электронике (охлаждение плат и элементов управления), электротехнике (охлаждение асинхронных двигателей, трансформаторов), электротермии (охлаждение элементов дуговых печей, стабилизация температуры в печах сопротивления). Отличительной особенностью ТТ является их способность при относительно малых размерах переносить значительные тепловые потоки (до 1-Ю4 Вт/см2). Однако опыт проектирования и использования ТТ в электротехнологии пока невелик, в частности, отсутствуют общепринятые конструктивные решения и методики расчета.

Разработка и внедрение двухконтурных систем охлаждения с использованием тепловых труб обеспечат повышение надежности и безопасности работы вакуумных ИПХТ, а также улучшат технико-экономические показатели их эксплуатации за счет снижения потребления охлаждающей воды.

Цель диссертационной работы

Разработка методики расчета и вариантов конструктивного исполнения двухконтурной системы охлаждения холодного тигля вакуумной индукционной печи, с использованием принципа тепловой трубы, обеспечивающих безопасность, надежность и высокие технико-экономические показатели работы установки.

Для достижения цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ литературы по характеристикам, методам расчета, особенностям конструкции и применения тепловых труб, для подтверждения целесообразности использования двухконтурной системы охлаждения в ИПХТ.

2. Разработка оригинальных конструкций двухконтурной системы охлаждения холодного тигля вакуумной индукционной печи.

3. Разработка методики расчета двухконтурных систем охлаждения для ИПХТ.

4. Экспериментальные исследования двухконтурной системы охлаждения холодного тигля с целью подтверждения разработанной методики расчета.

5. Разработка технического предложения по созданию системы двухконтурного охлаждения холодного тигля для индукционной установки мощностью 160 кВт, предназначенной для плавки металлов с температурой плавления до 2000 °С.

Методы исследования

Методика расчета (математическая модель) создавалась исходя из теории и основных уравнений теплопередачи, при этом использовалась известная модель тепловой трубы. Для реализации и исследования математической модели были задействованы программные пакеты МаЛСАИ и ЕЬСИТ. Работоспособность разработанной конструкции и адекватность методики расчета были проверены экспериментально на опытном стенде.

Новые научные результаты

1. Теоретически и экспериментально обоснованы возможность и целесообразность использования двухконтурной системы охлаждения холодного тигля вакуумной индукционной печи, основанной на применении эффекта тепловой трубы.

2. На основании исследований на разработанной модели секции ХТ в программном пакете ЕЬСЦТ установлено неравномерное распределение по сечению тепловых потоков в секции ХТ, учет которого с допустимой точностью может быть осуществлен по среднему значению.

3. Предложена методика расчета двухконтурной системы охлаждения холодного тигля с учетом особенностей работы вакуумных индукционных печей.

Практическая ценность работы

1. Даны рекомендации по применению методики расчета двухконтурной системы охлаждения холодного тигля вакуумной индукционной печи, позволяю-

щие определять геометрические, электрические и тепловые параметры секции ХТ с двухконтурной системой охлаждения.

2. Предложены оригинальные конструкции двухконтурной системы охлаждения холодного тигля вакуумной индукционной печи, защищенные патентом РФ на полезную модель.

3. Разработано техническое предложение на создание двухконтурной системы охлаждения для индукционной установки мощностью 160 кВт, предназначенной для плавки металлов с температурой плавления до 2000 °С.

Апробация работы

Основные разделы диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ, 2011, 2012, 2013), IX международной научно-практической интернет-конференции (Орел, Орловский ГТУ, 2011), XIV Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Алушта, 2012), а также на заседании кафедры АЭТУС НИУ «МЭИ» (2013).

Публикации

По результатам проведенных исследований, а также по теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук; получен патент РФ на полезную модель.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Основной текст изложен на 112 страницах и содержит 51 рисунок и 16 таблиц; список литературы включает в себя 63 наименования.

Вторзтсный К01П>р / теплообмена

.. конденсат

Отводимый тепловой поток

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обозначена проблематика работы, обоснована ее актуальность, определены цели и задачи исследований.

В первой главе рассмотрены особенности работы индукционной печи с

холодным тиглем (ИПХТ), физика процесса работы ИПХТ, а также конструктивные признаки и возникающие при охлаждении тигля. Приведена классификация систем охлаждения и рассмотрены их преимущества и недостатки. Проведен обзор систем двухконтурного охлаждения с использованием принципа тепловой трубы (ТТ), включая принцип работы

/

\

/

Подооднмый тепловой поток

ф ф

Зона

конденсации Проблемы,

Аднабапгйя

ЗОНА

Испарительная зона

' Теплозосшель

Рис. 1. Тепловая труба.

таких систем (рис. 1) и их характеристик, развитие их конструкции, области применения в технике. Одним из основных преимуществ использования ТТ является эффект трансформации теплового потока, при котором можно снизить плотность этого потока за счет увеличения площади теплосъема в зоне конденсации. Данный эффект, по сравнению с проточной системой водоохлаждения, в которой из-за малой площади теплосъема приходится увеличивать давление, позволяет снизить расход воды при той же отводимой мощности.

Также здесь рассмотрены описанные в литературе примеры применения двухконтурных систем охлаждения с использованием тепловой трубы, в том числе в области электротехники и электротермии.

В результате проведенного обзора были выявлены недостатки систем проточного водоохлаждения и определены основные преимущества применения двухконтурных систем для охлаждения холодного тигля индукционной печи:

1. Повышение безопасности работы ИПХТ путем снижения вероятности возникновения аварийной ситуации, благодаря отсутствию около расплавленного металла больших потоков воды.

2. Увеличение эффективности системы водоохлаждения за счет более интенсивного теплосъема.

По окончании первой главы сформулированы задачи диссертационного исследования, главными из которых являются:

• Разработка конструкции секции холодного тигля с использованием двухкон-турной системы охлаждения на базе ТТ при минимальном изменении апробированной конструкции плавильного узла ИПХТ.

• Разработка инженерной методики расчета и выбора основных параметров конструкции двухконтурной системы охлаждения ИПХТ.

Во второй главе рассмотрена возможность применения двухконтурной системы охлаждения по принципу ТТ в ХТ с учетом особенностей вакуумных индукционных печей: наличие электромагнитного поля, вертикальное распо-

- Секши хт ложение секций ХТ, т.е. возврат конденсата под действием гравитационных сил, расположение зоны конденсации (теплообменника вторичного контура) и др.

Предложена расчетная методика для конструкции тепловой трубы, основанная на базовой математической модели ТТ, в которой полость охлаждения секции холодного тигля (рис. 2) используется в качестве испарительной зоны ТТ, а зона конденсации расположена выше холодного тигля вне плавильного узла вакуумной печи. Рис. 2. Холодный тигель. Помимо учета особенностей конст-

рукции ИПХТ, рассмотрены некоторые отличительные черты работы тепловой

Индуктор

трубы, связанные как с физикой процесса, так и с применяемыми материалами и геометрией системы:

1. Выбор теплоносителя и материала зоны испарения (секции ХТ), взаимодействие которых оказывает влияние на теплообмен в системе и надежность работы.

2. Выбор значения площади зоны конденсации, связанный со значениями площади зоны испарения и плотности теплового потока в ней, так как при этом достигается снижение плотности теплового потока (эффект так называемого «теплового трансформатора»), что позволяет уменьшить расход охлаждающей воды.

3. Выбор давления внутри тепловой трубы, что определяет значение рабочей температуры теплоносителя в зонах испарения и конденсации ТТ.

4. Выбор геометрических размеров транспортной зоны, изменение которых

влияет на процесс отвода тепла, в частности, накладывает ограничения на передачу тепловой мощности. 5. Учет ограничений на значения ряда параметров, характеризующих работу ТТ: звуковой предел скорости пара, ограничения по уносу жидкости потоком пара, ограничения по кипению теплообменника.

Рассмотрена модель теплопереноса в двухконтурной системе охлаждения ХТ с использованием принципа ТТ для конструктивной схемы, представленной на рис. 3, геометрические размеры при этом выбираются предварительно.

Процесс теплопередачи в двухконтурной системе охлаждения ХТ в ИПХТ весьма сложен: тепловой поток от расплава передается жидкому тепло-

Рис. 3. Эскиз к тепловому расчету секции ХТ в качестве ТТ.

носителю через теплопроводность с испарением, затем образовавшийся пар транспортируется по транспортной зоне в зону конденсации, где передает свое тепло теплообменнику теплопроводностью с конденсацией, далее тепло отводится во вторичном контуре водоохлаждения. Для наглядности процесс теплопередачи следует представить в виде нескольких последовательных этапов:

• передача тепла через стенку секции ХТ теплопроводностью выражается через уравнение Фурье (д = -Х-дгасИ) для цилиндрической стенки:

2 ■ яг

ч~~ й > О)

где 4> ^/^-геометрические размеры трубки испарителя, ^-теплопроводность трубки испарителя, (гст1, -*„,„,) - перепад температур на стенке испарителя;

• процесс испарения теплоносителя задается граничным условием 3-го рода (?= а-А1)-.

Ч = (2)

где ат ^ 8 ^ ^ - средний коэффициент теплоотдачи пленки

жидкости с фазовым переходом в зоне испарения для случая пузырькового кипения в вертикальных трубах, Л,—теплопроводность пара, С2 - теплоемкость пара, р„р2 - плотность теплоносителя в жидком и парообразном состоянии, у2 - коэффициент кинематической вязкости пара, площадь испарителя, (¡ш и1 -(,) — перепад температур пленки жидкости в зоне испарения;

• процесс конденсации на поверхности конденсатора будет выражаться граничными условиями 3-го рода:

Я = (3)

где

- значение коэффициента теплоотдачи

вдоль стенки конденсатора для вертикальных труб, Р,мд- площадь конденсатора, (1ГГ -(„)- температурный перепад пленки конденсата, теплопроводность жидкости, X - степень сухости пара, г„- внутренний радиус конденсатора,^— коэффициент кинематической вязкости жидкости; • передача тепла через стенку конденсатора теплопроводностью для цилиндрической стенки:

где с!трхЫюх - геометрические размеры трубки конденсатора, Я,- теплопроводность трубки конденсатора, (/„,.„-*„.„) - перепад температур на стенке конденсатора.

При установившемся тепловом равновесии количество тепла, переданное от горячей стенки секции теплоносителю, равно количеству тепла, отданному в конденсаторе охлаждающей воде во вторичном контуре охлаждения.

Среди всех ограничений на ХТ индукционной печи действует лишь ограничение по кипению, возникающее в случае, когда образуются большие паровые области (сравнимые с диаметром парового канала), которые высушивают стенки ТТ в транспортной (адиабатной) зоне, тем самым затрудняя процесс стекания теплоносителя в зону испарения.

Максимально-переносимая тепловая мощность:

= аит---- , (5)

г-г^-Рг

где температура насыщения пара, а- коэффициент поверхностного натяжения воды, гпуз - радиус пузыря, рг - плотность пара, гтр - радиус парового канала (секции ХТ);

Для подтверждения картины распределения тепловых полей в ХТ и проверки условий расчета секция ХТ была смоделирована в программном пакете ЕЬСиТ (рис. 4). При определении исходных данных для моделирования были сделаны

I епяивин поток ■„,,

от расплава ^ некоторые допущения: тепловой поток

Рис. 4. Секция ХТ в ЕЬСИТ. распространяется только в одном направлении, отвод тепла осуществляется за счет испарения воды через полость охлаждения и за счет конвективного теплообмена противоположной стенки арочного профиля.

Исходные данные для моделирования:

Электрические потери.....................................................Рэт. = 41.3 • 103 Вт

Тепловые потери...........................................................Ртх = 39.6 • 103 Вт

Суммарный коэффициент теплоотдачи секции ХТ.............К = 4.1 ■ 106 Вт/м2К

Коэффициент теплоотдачи за счет конвекции..........................аконв= 7 Вт/м2К

Длина трубки арочного профиля....................................................X = 1 м

—-—Ш По окончании второй главы сделаны

предварительные выводы о возможностях расчета двухконтурных систем охлаждения холодного тигля, а также о некоторых конструктивных особенностях (отношение площадей зон испарения и конденсации, длина транспортной зоны, интенсивность теплообмена во вторичном контуре охлаждения, толщины стенок тепловой трубы, давление внутри замкнутой системы), позволяющих улучшать процесс теплообмена в теплонагруженной зоне. Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям опытного образца секции ХТ, конструкция которого приведена на рис. 5. В качестве секции ХТ взята трубка арочного профиля (1), герметично запаянная с одного конца, а с дру-

тгг

Рис. 5. Экспериментальный образец секции ХТ.

гого соединенная с теплообменником (4), состоящим из конденсатора (3) и контура водоохлаждения (2).

Эксперимент проводился для проверки расчетной методики с учетом конструктивных соотношений, приведенных во второй и четвертой главах. Электрическая схема экспериментальной установки представлена на рис. 6.

В эксперименте использовалось следующее оборудование: преобразователь частоты на 8000 Гц, индуктор, батарея конденсаторов для компенсации реактивной мощности, измерительные приборы (рис. 7).

• На первом этапе мощность, выделяющаяся в загрузке, была равна 8 кВт, заготовка нагрелась до 1100°С.

• На втором этапе эксперимент проводился с удвоенной мощностью в загрузке (16 кВт), заготовку удалось разогреть до температуры предплавления (1300 -

Эксперимент проводился в два этапа:

1400°С).

ТА

С £= 8000 Гц

Источник питания

Рис. 6. Электрическая схема экспериментального стенда.

Рис. 7. Экспериментальный стенд.

В работе проведен сравнительный анализ расчетных и экспериментальных данных, представленный в табл. 1.

Таблица 1. Сравнение результатов расчета и экспериментов.

Степень заполнения ТТ, % Удельный тепловой поток, Вт/см2 Отводимая мощность, кВт Давление в секции, кПа Температура секции, °С

Расчетные данные I этап 80 40 1.78 92 152

100 40 1.8 90 146

Эксперимент I этап 80 38 1.7 100 145

100 43 1.9 100 140

Расчетные данные II этап 80 68 3 102 240

100 68 3 100 230

Эксперимент II этап 80 62 2.7 120 230

100 66 2.9 140 220

Как видно из табл. 1, результаты расчетных и экспериментальных данных находятся в пределах допустимой погрешности расчета (не более 14%), что подтверждает адекватность разработанной расчетной методики. Но как показали результаты исследований, эффективность ТТ можно увеличить за счет кон-

структивных особенностей, например, использование в транспортной зоне вставки для разделения потоков пара и жидкости.

В четвертой главе по результатам теоретических и экспериментальных исследований приведены инженерная методика расчета испарительной системы охлаждения ИПХТ и рекомендации по их конструированию, включающие границы применения расчетной методики (рис. 8).

Рис. 8. Блок-схема инженерной методики расчета двухконтурной системы охлаждения ХТ.

1. Исходные данные для расчета:

• Конструктивные особенности системы, геометрические размеры ХТ, размеры системы двухконтурного охлаждения (длины зон испарения, кипения, транспортной зоны и т.д.). Для определения теплового потока, который необходимо отвести от секции ХТ с помощью системы охлаждения, рассчитывается энергетический баланс ИПХТ и, отдельно, секции ХТ по известной ранее методике, согласно которой энергия, поступающая в электропечь, расходуется и на тепловые и электрические потери в ХТ:

Д.т=Л.т+-Рт.т, (8)

где Рэт. - электрические потери в холодном тигле, выделяющиеся за счет наведения контура с током в секции тигля; Ртл- тепловые потери в холодном тигле, выделяющиеся в результате теплоотдачи в зоне контакта расплава с тиглем.

• Теплофизические данные теплоносителя и материала трубки (теплоемкость, теплопроводность и т.д.)

2. Расчет проводится в 4 этапа (расчет теплообменника, расчет конденсатора, расчет испарителя и поверочный расчет).

3. На этапе анализа полученных данных рассчитанная система проверяется на предельные переносимые тепловые потоки, критические температуры и давление. Если система не работоспособна (по предельному тепловому потоку, давлению, температуре), то уточняются исходные данные.

4. Если система работоспособна, то далее происходит интеграция полученной конструкции в ИПХТ, по результатам которой возможно принятие решения по изменению конструкции. Процедура расчета проводится до тех пор, пока не будет получено оптимальное решение.

На основе предложенной методики разработаны два варианта конструкции двухконтурной системы, на которые получен патент РФ на полезную модель. Основной идеей предложенных конструкций является использование в секции ХТ двухконтурного охлаждения.

Отличие же предложенных вариантов заключается в том, что теплообменник может располагаться как поблизости от плавильного узла в вакуумном объеме (рис. 9 б), так и на расстоянии, вне вакуумного объема, что уменьшает риск возникновения взрывоопасной ситуации (рис. 9 а).

Рис. 9. Варианты конструкций двухконтурной системы охлаждения ХТ

На рис. 9 показаны: 1- индуктор, 2 - секция ХТ, 3 - загрузка, 4 - вакуумная камера, 5 - транспортная зона, б - зона конденсации, 7 - контур вторичного охлаждения.

Для организации ЦНИИТМАШ разработано техническое предложение на создание системы двухконтурного охлаждения для индукционной установки мощностью 160 кВт, частотой 2400 Гц, предназначенной для плавки металлов с температурой плавления до 2000 °С. Она состоит из нескольких основных частей: вакуумной камеры, холодного тигля и индуктора. Основным теплонагру-женным узлом, переносящим значительные тепловые потоки, является холодный тигель, который должен интенсивно охлаждаться. Для этой цели рассчитана и разработана система двухконтурного охлаждения конструкции секций в двух вариантах исполнения, один из которых представлен на рис. 10.

Исходные данные и результаты расчета представлены в таблицах 3 и 4.

Табл. 3. Исходные данные (техническое предложение)

Параметр Значение

Внутренний диаметр трубки ТТ, м атр= 0.012

Толщина стенки ТТ, м $тр =0.01

Количество ТТ в холодном тигле и = 26

Длина зоны испарения, м К =0.1

Площадь зоны испарения, м2 ¥и —4-10-3

Площадь зоны конденсации, м2 Рк =12-10_3

Тепловые и электрические потери в ХТ, Вт ^м=60.103

Тепловой поток, приходящийся на 1 секцию ХТ, Вт/см2 =140

Табл. 4. Результаты расчета (техническое предложение)

Параметр Значение

Температура на стенке холодного тигля, °С =218

Мощность, отводимая от одной секции ХТ, кВт С!™ =2,7

Расход воды на охлаждение секции ХТ, л/с У = 0Д

Давление в секции ХТ, кПа Р = 120

Рис. 10. Конструкция двухконтурной системы охлаждения ХТ (техническое предложение).

Заключение

1. Проведен анализ литературы и показана целесообразность в использовании двухконтурной системы охлаждения для холодного тигля вакуумной индукционной печи.

2. Доказана возможность увеличения безопасности и экономической эффективности индукционных печей с холодным тиглем путем использования двухконтурной системы охлаждения с тепловой трубой.

3. Выявлены особенности работы секций холодного тигля в режиме тепловой трубы, связанные со спецификой конструкции ИПХТ.

4. На основании исследований на разработанной модели секции ХТ в программном пакете ЕЬСиТ установлено неравномерное распределение по сечению тепловых потоков в секции ХТ, учет которого с допустимой точностью может быть осуществлен по среднему значению.

5. Разработана инженерная методика расчета двухконтурной системы охлаждения холодного тигля индукционной печи, учитывающая методики расчета электрических и тепловых характеристик ИПХТ, и методику расчета двухконтурной системы охлаждения.

6. Исследования на экспериментальном стенде подтвердили адекватность предложенной методики расчета двухконтурной системы охлаждения холодного тигля.

7. Разработано техническое предложение на создание двухконтурной системы охлаждения для индукционной установки мощностью 160 кВт, предназначенной для плавки металлов с температурой плавления до 2000 °С.

8. Получен патент РФ на полезную модель вариантов конструкции тигля для индукционной вакуумной плавки металла с испарительным охлаждением.

9. Результаты исследований по использованию двухконтурных систем охлаждения в холодном тигле вакуумной индукционной печи использованы в учебном процессе.

Основные результаты диссертационной работы приведены в следующих публикациях:

1. Кабалин Е.И. Методика расчета испарительной системы охлаждения для индукционной печи с холодным тиглем // Электрометаллургия. - 2013. -№ 3. - С. 35-40.

2. Кувалдчн А.Б., Ергин А.Н., Кабалин Е.И. Двухконтурная система охлаждения холодного тигля индукционной вакуумной печи // Индукционный нагрев. - 2013. - №26. - С. 42-47.

3. Кабалин Е.И. Возможность применения испарительных систем охлаждения в индукционных печах с холодным тиглем : Материалы XVII междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» : тез. докл.: в 3 т. - М.: Издательский дом МЭИ, 2011. - Т. 2. -С. 194-195.

4. Кабалин Е.И. Возможность применения тепловой трубы в индукционных печах с холодным тиглем : Сб. материалов IX междунар. науч.-практ. интернет-конф. «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век». — Орел : ООО ПФ «Картуш», 2011.-С.

5. Кабалин Е.И. Применение тепловых труб в системе охлаждения холодного тигля индукционной печи: Материалы XIV междунар. конф. «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты». - Алушта, 2012. - С. 293-294.

6. Кабалин Е.И. Возможности применения тепловых труб в индукционных печах с холодным тиглем : Материалы XVIII междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» : тез. докл.: в 3 т. -М.: Издательский дом МЭИ, 2012. - Т. 2. - С. 351.

7. Кабалин Е.И. Инженерная методика расчета системы испарительного охлаждения холодного тигля индукционной печи : Материалы XIX междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» : тез. докл.: в 3 т. - М.: Издательский дом МЭИ, 2013.-Т. 2.-С. 302.

8. Пат. № 134305 Ш МПК Б 27 В 14/10. Тигель для индукционной вакуумной плавки металла с испарительным охлаждением (варианты) [Текст] / Кувал-дин А.Б., Ергин А.Н., Кабалин Е.И.; заявитель и патентообладатель Москва национальный исследовательский университет «МЭИ». - № 2013113316/02 ; заявл. 26.03.2013 ; опубл. 10.11.2013, Бюл. № 31.-2 с.: ил.

Подписано в печать оШ'гоЦзшкШ тир.№ Полиграфический центр МЭИ, Красноказарменная ул.,д.13

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«МЭИ»

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И МЕТОДИКИ РАСЧЕТА СИСТЕМЫ ДВУХКОНТУРНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ТИГЛЕЙ ВАКУУМНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧЕЙ

04201457426

На правах рукописи

КАБАЛИН ЕГОР ИВАНОВИЧ

Специальность 05.09.10 - Электротехнология

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д. т. н., профессор

Кувалдин А.Б.

Москва - 2014

Аннотация

В диссертационной работе проведен анализ конструкции холодного тигля вакуумной индукционной печи, рассмотрены вопросы, связанные с режимами его работы, энергетическим балансом, основными преимуществами и недостатками. Особое внимание уделено технико-экономическим показателям (расход воды на охлаждение холодного тигля) и вопросу безопасной работы плавильного узла. Подробно рассмотрена проблема водоохлаждения тигля и предложен вариант по изменению конструкции системы охлаждения с одноконтурной на двухконтурную, работающую по принципу тепловой трубы. В связи с этим разработана методика расчета тепловой трубы с учетом особенностей работы вакуумной индукционной печи с холодным тиглем. На основе предложенной методики проведены расчеты и экспериментальные исследования, подтверждающие ее адекватность. По итогам экспериментальных исследований:

- разработана инженерная методика расчета двухконтурных систем охлаждения по принципу тепловой трубы для холодного тигля;

- предложены оригинальные конструкции двухконтурной системы охлаждения холодного тигля вакуумной индукционной печи, защищенные патентом РФ на полезную модель.

- разработано техническое предложение на создание двухконтурной системы охлаждения для индукционной установки мощностью 160 кВт, предназначенной для плавки металлов с температурой плавления до 2000 °С.

- рассмотрены вопросы дальнейшего совершенствования и применения предложенных конструкций и методики расчета.

Оглавление

Введение..........................................................................................5

Глава I. Применение систем двухконтурного охлаждения работающих по принципу тепловой трубы...................................................................9

1.1. Индукционные печи с холодным тиглем..........................................9

1.1.1. Основные понятия и область применения ИПХТ.........................9

1.1.2. Физические и технологические особенности плавки в ИПХТ.........11

1.1.3. Энергетический баланс ИПХТ...............................................12

1.2. Классификация систем водоохлаждения в электротермических установках.........................................................................................14

1.3. Развитие, область применения и конструкции ТТ..............................22

1.4. Применение ТТ в электротехнике.................................................30

1.5. Применение ТТ в электротермии.....................................................31

1.6. Задачи диссертационной работы...................................................33

Глава II. Особенности применения двухконтурной системы охлаждения по принципу ТТ в ХТ индукционной вакуумной печи...................................34

2.1. Постановка задачи....................................................................34

2.2. Особенности конструкции системы двухконтурного охлаждения на основе ТТ.......................................................................................35

2.3. Особенности работы тепловой трубы в индукционных системах..........42

2.4. Процесс теплопереноса в ТТ с учетом особенностей работы ИПХТ......43

2.5. Выводы по главе II.....................................................................54

Глава III. Экспериментальные исследования теплотехнических характеристик холодного тигля с двухконтурным охлаждением.....................................55

3.1. Постановка задачи....................................................................55

3.2. Описание экспериментального стенда и состава оборудования.............55

3.3. Разработка методики экспериментальных исследований....................58

3.4. Эксперимент............................................................................60

3.5. Результаты эксперимента............................................................66

3.6. Сравнительный анализ полученных данных....................................69

3.7. Выводы по главе III....................................................................72

Глава IV. Инженерная методика расчета систем двухконтурного охлаждения, работающего по принципу ТТ в индукционных печах с холодным тиглем......73

4.1. Постановка задачи....................................................................73

4.2. Разработка алгоритма инженерной методики по итогам теоретических и экспериментальных исследований...............................................73

4.3. Исходные данные для расчета......................................................74

4.3.1. Конструкция системы охлаждения.........................................75

.4.3.2. Теплоноситель..................................................................81

4.3.3. Энергетический баланс секции ИПХТ.....................................82

4.4. Расчет системы двухконтурного охлаждения для ХТ.........................83

4.5. Анализ результатов расчета.........................................................90

4.6. Апробация методики расчета........................................................95

4.7. Варианты конструкции двухконтурной системы охлаждения ХТ вакуумной индукционной печи................................................................102

4.8. Выводы по главе IV...................................................................103

Заключение..................................................................................104

Список литературы

105

ВВЕДЕНИЕ

К современному плавильному оборудованию для получения материалов с улучшенными свойствами предъявляются особые требования по чистоте процесса и точности поддержания заданного режима обработки материала. Особое место среди этих требований занимает и проблема незагрязняющей плавки материала, т.к. для получения сплава, состоящего из нескольких компонентов, и для выравнивания химического состава желательно поддержание всей массы получаемого расплава в жидком состоянии. Для проведения таких процессов в электротермии успешно используются установки различного типа (вакуумные дуговые печи, печи электрошлакового переплава и т.д.), к которым относятся и индукционные вакуумные печи с холодным тиглем (ИПХТ). Такие отличительные особенности данных печей, как плавка в электромагнитном поле, электромагнитное перемешивание материала, плавка в электропроводящем тигле, позволяют получать конечный продукт высокого качества за один переплав. Благодаря широкому диапазону характеристик (рабочая температура до 3000°С, частоты от 0,05-30 кГц для металлов и сплавов и 0,5-10 МГц для плавки оксидных материалов, потребляемая мощность 60- 2000 кВт), ИПХТ используются в авиакосмической, электронной, автомобильной, химической и других отраслях промышленности.

Одним из основных элементов такой индукционной вакуумной печи является холодный тигель (ХТ) (рис.1), который располагается между расплавляемым металлом и индуктором и представляет собой цилиндр (многогранник), составленный из трубок различного профиля (цилиндр, трапеция, арочный профиль и т.д.), электроизолированных друг от друга. Чистота процесса переплава в таком тигле достигается за счет отжатия металла от его стенок и поддержания температуры тигля достаточной, чтобы при взаимодействии стенки тигля с расплавом не происходило химической реакции (ухудшение состава переплавляемого материала).

Холодный тигель

Холодный тигель

Индуктор

Секция ХТ

Рис. 1. Индукционная печь с ХТ.

Так как ХТ работает при высоких температурах (до 3000°С), то необходимо его интенсивное охлаждение проточной водой [1]. Такой вид охлаждения позволяет проводить процесс при высоких температурах в течение длительного времени, но не исключает опасности прожига стенки холодного тигля и попадания охлаждающей воды на расплав, что может привести к возникновению аварийной ситуации. Кроме того, требуемое для интенсивного охлаждения ХТ большое количество проточной воды ведет к усложнению конструкции за счет дополнительного агрегата (насосной станции).

Для предотвращения данной ситуации предлагается заменить систему проточного водоохлаждения на двухконтурную систему испарительного охлаждения, работающую по принципу так называемой «тепловой трубы» (ТТ). В работе рассматриваются конструктивные особенности ХТ и ТТ, а также общая методика расчета холодного тигля с двухконтурной системой охлаждения, выбор конструкции ХТ с двухконтурной системой охлаждения. Основными задачами работы являются определение границ применения системы охлаждения по принципу ТТ в индукционных печах с холодным тиглем и составление инже-

нерной методики расчета таких систем охлаждения для индукционной печи с

холодным тиглем (ИПХТ).

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Теоретически и экспериментально обоснованы возможность и целесообразность использования двухконтурной системы охлаждения холодного тигля вакуумной индукционной печи, основанной на применении эффекта тепловой трубы.

2. На основании исследований на разработанной модели секции ХТ в программном пакете ЕЬСИТ установлено неравномерное распределение по сечению тепловых потоков в секции ХТ, учет которого с допустимой точностью может быть осуществлен по среднему значению.

3. Предложена методика расчета двухконтурной системы охлаждения холодного тигля с учетом особенностей работы вакуумных индукционных печей.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Даны рекомендации по применению методики расчета двухконтурной системы охлаждения холодного тигля вакуумной индукционной печи, позволяющие определять геометрические, электрические и тепловые параметры секции ХТ с двухконтурной системой охлаждения.

2. Предложены оригинальные конструкции двухконтурной системы охлаждения холодного тигля вакуумной индукционной печи, защищенные патентом РФ на полезную модель.

3. Разработано техническое предложение на создание двухконтурной системы охлаждения для индукционной установки мощностью 160 кВт, предназначенной для плавки металлов с температурой плавления до 2000 °С.

На защиту выносятся следующие положения:

1. На основании исследований на разработанной модели секции ХТ в программном пакете ЕЬСИТ установлено неравномерное распределение по се-

чению тепловых потоков в секции ХТ, учет которого с допустимой точностью может быть осуществлен по среднему значению.

2. Предложены оригинальные конструкции двухконтурной системы охлаждения холодного тигля вакуумной индукционной печи, защищенные патентом РФ на полезную модель, составлены рекомендации по конструированию.

3. Предложена инженерная методика расчета двухконтурной системы охлаждения по принципу тепловой трубы для холодного тигля вакуумной индукционной печи.

4. Разработано техническое предложение на создание двухконтурной системы охлаждения для индукционной установки мощностью 160 кВт, предназначенной для плавки металлов с температурой плавления до 2000 °С.

ГЛАВА 1. Применение систем испарительного охлаждения работающих по принципу тепловой трубы индукционные печи с холодным тиглем.

1.1. Индукционные печи с холодным тиглем.

1.1.1. Основные понятия и область применения ИПХТ.

Идея индукционных печей с холодным тиглем (ИПХТ) была предложена в 1926 году немецкой фирмой «Сименс - Гальске» [6, 7, 8]. Основой ее является выполнение проводящего охлаждаемого тигля с вертикальными разрезами, препятствующими возникновению в тигле кольцевых токов, коаксиально охватывающих загрузку и экранирующие ее от магнитного поля индуктора.

Но для реализации этой идеи необходимо было решить несколько сложных задач:

• обеспечить передачу расплаву достаточного количества энергии, необходимого для устойчивого протекания рабочего процесса в условиях контактной теплоотдачи от расплава к холодному тиглю;

• увеличить до приемлемых значений КПД, несмотря на электрические потери в тигле;

• предотвратить электрические пробои на секции тигля в его ионизационном пространстве.

Это оказалось настолько сложно, что на протяжении многих лет попытки создания работоспособных ИПХТ для плавки металлов не приводили к успеху, и только после систематических исследований ВНИИЭТО (Всесоюзного Научно Исследовательского Института Электротермического Оборудования), начатых в 1961 г., удалось к 1965 г. закончить поисковые работы, завершившиеся созданием устойчиво работающих лабораторных печей. К 1980 году было завершено исследование технологических возможностей ИПХТ, создание инженерных основ их конструирования, разработка и опробование полупромышлен-

ных печей (рук. работ. : до 1978г. - Л.Л. Тир, с 1978г. - А.П. Губченко). С 1980 г. начат выпуск печей промышленного назначения [4, 5].

Под индукционной плавкой в ХТ принято понимать процесс, при котором энергия передается расплаву электромагнитным полем сквозь проводящий тигель. Передача энергии электромагнитным полем сквозь проводящий тигель возможна только в двух случаях: когда тигель относительно (глубины проникновения тока в материал) тонкий, либо при выполнении его разрезным (рис. 2) [2,5]. Последний случай является предпочтительным с точки зрения практического применения.

Рис. 2. Холодный тигель с разрезными секциями. 1 - Секция ХТ, 2 - охлаждаемая полость, 3 - расплав.

ИПХТ в основном используется для выплавки сложнолегированных сплавов с большим содержанием компонентов, рафинировочной плавки химически активных и тугоплавких металлов, получения высококачественных фасонных отливок, металлотермического восстановления металлов из их соединений (оксидов, фторидов, хлоридов и т.п.), переработки отходов химически активных металлов и их сплавов, направленной кристаллизации металла при непрерывном получении слитка, получение металлических порошков, остекло-вывание радиоактивных отходов [1, 3, 9].

1.1.2. Физические и технологические особенности плавки в ИПХТ.

ИПХТ обладают рядом принципиальных особенностей, которые отличают их от печей других типов: выделение тепла по всей боковой поверхности расплава, развитая поверхность металла, интенсивная электромагнитная циркуляция металла. Все эти особенности позволяют обеспечить большую равномерность температуры в объеме расплава и малое содержание металла в гарнисаже, тем самым создавая благоприятные условия для выполнения точных (по химическому составу и массе) плавок.

При обычной (секционной) конструкции тигля переменное электромагнитное поле, распространяющееся от индуктора к садке (рис. 3), наводит в его стенках кольцевые токи, создающие поле противоположного направления. Как говорилось ранее, для прохода электромагнитного поля тигель выполняют секционным, таким образом, чтобы каждая секция была изолирована друг от друга. Данная мера необходима для того, чтобы электромагнитное поле передавалось от индуктора в загрузку, не замыкаясь по пути на ХТ.

В процессе плавки в зависимости от исполнения ХТ (с изолированной внутренней поверхностью, обращенной к расплаву или с неизолированной внутренней поверхностью и контактом расплава с ХТ) в тигле возникают электрические потери в виде джоулевого тепла, которые в совокупности с тепловыми потоками от расплава требуют интенсивного охлаждения ХТ [4, 5].

силовые линии магнитного поля

циркуляция расплава лиловое излучение

зазор, электрически изолирующий секции тигля_

электропроводящий водоохлаждаемыи тигель '

тепловой поток Рис. 3. Физические основы ИПХТ.

переменный электрический ток

расплав

донная часть тигля (водоохлаждаемая)

fy.

VN

электро-\ магнитная сила

гарнисаж

1.1.3. Энергетический баланс ИПХТ.

Энергетический баланс индукционной печи с холодным тиглем (рис. 4) можно представить следующим образом: энергия (рис. 5), поступающая в индуктор, расходуется на электрические потери в индукторе Рэи, в стенках холодного тигля Рэт и поддоне Рэ.пд., а также на выделение тепла в загрузке Р3. Это тепло уходит на нагрев загрузки Рпол. И тепловые потери от загрузки: к поду Рт пд, стенкам холодного тигля Ртт, и в печное пространство (здесь достаточно будет учитывать потери излучением Риз ). Отток тепла к стенкам ХТ Ртт подразделяют на теплопередачу в зоне контакта расплава с тиглем Рт к и излучение на тигель отжатой от стенок поверхностью металла Риз1 В таблице 1 отображен энергетический баланс ИПХТ в режиме выдержки для некоторых металлов, полученный опытным путем (диаметр расплава - ёр= 120 мм, высота индуктора -Ьи= 100 мм, частота - Г= 8000 Гц) [4].

Рис. 4. ИПХТ. 1 - ХТ, 2 - индуктор, 3 -расплав, 4 - поддон.

Энергия поступающая в индуктор, Ри

т

- электрические поте ри в индукторе, Рэ и;

- электрические поте ри в стенках ХТ, Рэ т;

- электрические потери в поддоне, Рэ.пд;

- тепловые потери к поду, Р3;

- тепловые потери в печное пространство, Риз;

, I

тепло в загрузку, Р3 ;

тепловые потери через стенки ХТ , Рпол

- тепловые потери в зоне контакта с расплавом, Рт к.

- тепловые потери излучением от отжатой поверхности расплава, РИ31.

Рис. 5. Энергетический баланс ИПХТ.

Таблица1. Энергетический баланс ИПХТ в режиме выдержки для некоторых металлов (с1р = 120 мм, Ьи= 100 мм, f = 8000 Гц).

№ Параметр в процентах Жаропрочная сталь Сг Т1

1 Мощность, отдаваем�